DE102004041046A1

DE102004041046A1 - Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102004041046A1
Application number: DE200410041046
Authority: DE
Inventors: Frank Ehlers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: DE102004041046B4

Abstract

Technisches Problem DOLLAR A Für die Mess- und Analysetechnik kann es von Vorteil sein, exakt definierte Wärmemengen zu übertragen. Herkömmliche Wärmetauscher übertragen Wärme jedoch kontinuierlich und sind nicht in der Lage, aus einer Wärmequelle exakt definierbare Wärmemengen abzuspalten. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Der PACO-Tauscher verfügt über einen beweglichen Speicher (3), der diskontinuierlich an der Wärmequelle (8) aufgeladen wird und nur diese definierte Wärmemenge wieder abgeben kann. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Die Anordnung gestattet es, eine Wärmequelle in diskrete Wärmemengen aufzuteilen und diese gezielt zu übertragen. Mit diesem PACO-Tauscher können z. B. Änderungen der spezifischen Wärmekapazität von Stoffen bzw. Gasen bei Temperaturzu- oder Temperaturabnahme messtechnisch genauer erfasst werden, als es mit herkömmlichen Methoden möglich ist.

Description

1. Einleitung
Bei meiner Erfindung, einem diskontinuierlich arbeitenden Wärmetauscher – im folgenden "PACO-Tauscher" genannt – handelt es sich um eine Apparatur, die geeignet ist Wärme in steuer- und regelbaren diskreten Mengen bzw. Leistungen aktiv zu übertragen.
2. Aufbau
2.1 Prinzipieller Aufbau eines PACO-Tauschers
Ein räumlicher Abstand zwischen einer heißen und einer kalten Wand ist mit einem beweglich angeordnetem Speichermaterial ausgestattet.
2.2 Der PACO-Tauscher anhand eines Beispiels
2.2.1 Beschreibung einer einfachen Bauweise
Als Gehäuse kann ein Stahlzylinder Verwendung finden. Das Speichermedium kann eine Metallplatte z.B. aus Aluminium sein. Im Inneren des Gehäuses kann ein Vakuum oder ein beliebiges Gas/Gasgemisch als Arbeitsmedium vorhanden sein.
Für den Antrieb sei ein Elektromagnet mit Arbeitsrichtung nach links sowie eine Druckfeder eingesetzt. Die Magnet- bzw. Druckfederkräfte wirken hier über einen Eisenkern und die Kolbenstange auf das Speichermedium. Der Speicher kann Zwecks Be- bzw. Entlüftung eine kleinere Größe als das Gehäuse aufweisen oder mit Durchgangsbohrungen, Nuten etc. versehen sein.
2.2.2 Die Funktion des oben beschriebenen einfachen Modells
Die Funktion sei am Beispiel eines Stoffes höherer Temperatur an der linken Wandung und eines zu erwärmenden Stoffes auf der rechten Seite erläutert:
Im Ruhezustand, also bei ausgeschaltetem Magneten, wird die Kolbenstange von der Druckfeder nach rechts gedrückt. Die Speicherscheibe im Inneren des Zylinders liegt an der rechten (kalten) Wandung an. Die Wärmeübertragung von der linken (heißen) zur kalten rechten Seite ist fast minimal. Die Wärmeübertragung erfolgt in dieser Position nur durch Strahlung, in geringem Umfang über Wärmeleitung im Gehäuse und geringe Konvektion des Arbeitsmediums. (Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung im Gehäuse ließe sich durch ein thermisch isolierendes Gehäuse reduzieren und die Wärmübertragung durch Konvektion könnte durch die Herstellung eines Vakuums im Gehäuse vermindert werden.)
Wird am Elektromagneten Spannung angelegt zieht dieser die Kolbenstange nach links, wodurch die Speicherplatte an die linke Wandung gedrückt wird. Dort nimmt sie Wärme durch Wärmeleitung auf und kühlt so die heiße Wandung. Die Aufnahmemenge der Wärme hängt von den Faktoren Zeit, Temperaturunterschied, Anpressdruck und Aufnahmevermögen des Speichers ab. Der Speicher nimmt eine Temperatur an, die im Extremfall der der heißen Seite entspricht. Die Wärmeübertragung zur kalten Seite ist in dieser Stellung ebenfalls fast minimal. Schaltet man den Elektromagneten wieder ab, wird die von der Speicherplatte aufgenommene Wärme durch die Druckfeder zur rechten (kalten) Seite transportiert. Während dieser Bewegung erreicht die Wärmeübertragung auf das im Zylinder enthaltene Medium durch verstärkte Konvektion, die durch die Bewegung hervorgerufen wird, ihr Maximum. Ist der Speicher an der rechten Wandung angekommen, kann er exakt die von der heißen Seite aufgenommene Wärmemenge an den kälteren Stoff abgeben, sofern ausreichend Zeit und/oder Anpressdruck zur Verfügung steht. Im Extremfall wird der Speicher restlos "entladen" und nimmt die Temperatur der kalten Seite an.
Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen.
3. Vor- u. Nachteile gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern
Herkömmliche Wärmetauscher arbeiten mit Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung. Als Bauformen werden z.B. Rohr-, Bündel- oder Plattentauscher verwendet. Allen herkömmlichen Wärmetauschern ist gemein, dass ihre Leistung ausschließlich durch eine Veränderung der Temperaturen und/oder durch eine Variation der Volumenströme gesteuert werden kann. Im Allgemeinen ist gerade die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in diesen Tauschern durch unveränderliche Übertragungsflächen festgelegt.
Diese Tauscher können die Übertragungsmenge bzw. -leistung nicht selbst beeinflussen.
Herkömmliche Wärmetauscher sind demzufolge passive Bauteile, deren Konstruktion als starr anzusehen ist.
Der PACO-Tauscher arbeitet hingegen aktiv. Durch Variation der Taktzahlen, Anpressdrücke und Druckberührzeiten kann eine genau definierbare Wärmeübertragungsmenge bzw. Wärmeübertragungsleistung erreicht werden, die zwischen einem Minimum nahe Null und einem von der Bauweise und Größe abhängigen Maximum steuer- und regelbar ist.
Aktive PACO-Tauscher benötigen einen Antrieb und geben Wärme an das den Speicher umgebende Medium ab, wobei sich dieser Effekt auch nutzen lässt. Die Geräuschentwicklung und Materialbeanspruchung beim Aufschlagen des Speichers auf die Wandungen kann durch konstruktive Maßnahmen (z.B. Endlagendämpfung mit Federn) reduziert werden.
Im Gegensatz zu konventionellen Wärmetauschern bietet der PACO-Tauscher eine vollständige Systemtrennung. Selbst bei Leckagen einer Wandung kommen die heißen bzw. kalten Stoffe nicht unmittelbar miteinander in Berührung.
4. Anwendung
Der PACO-Tauscher eignet sich überall dort wo,

a) eine sichere Systemtrennung – mit oder ohne Kontrollmöglichkeit – notwendig ist, wie z.B. in der chemischen Industrie und beim Umgang mit Gefahrstoffen
b) eine Beeinflussung der Stoffströme bzw. deren Temperatur nicht erfolgen kann bzw. erwünscht wird, wie z.B. in der Verfahrenstechnik
c) die Wärmeübertragung genau definierbar sein muss, wie z.B. im Mess- und Analysewesen
d) die Wärmeübertragung auf nahezu Null reduziert werden können soll, wie es z.B. bei Sicherheitsabschaltungen der Fall sein kann.

5. Varianten
Der im obigen Beispiel dargestellte PACO-Tauscher kann in der Ausführung erheblich variiert werden:
Als Speichermedien können verschiedenste Materialien eingesetzt werden, die als Platten, Blöcke oder in beliebigen geometrischen Formen ausgeführt werden können. Darüber hinaus sind poröse bzw. schwammartige Materialien ebenso möglich.
Für den Antrieb können neben Elektromagneten auch Kurbeltriebe, Pneumatikzylinder, hydraulische Anlagen etc. verwendet werden.
Die Verwendung eines zylindrischen Gehäuses bietet sich an, um definierte Anschlagflächen und eine gute Führung des Speichermediums zu gewährleisten. Andere Geometrische Grundformen sind möglich.
Das Gehäuse kann zum Zwecke der Übertragungsminimierung geteilt und mit einer thermischen Isolierung versehen ausgeführt werden.
Bei Verwendung eines Arbeitsmediums anstelle eines Vakuums können die in dem den Speicher umgebenden Medium ablaufenden Prozesse ausgenutzt werden. Auf eine Kolbenstange kann bei Verwendung eines magnetischen Speicher- bzw. Trägermaterials verzichtet werden. (Dann fungiert der Speicher als Eisenkern und kann direkt vom Magneten angetrieben werden.)
Anstelle einer Druckfeder als Rückholfeder können bei entsprechender Anordnung ebenso Zugfedern verwendet werden. Werden andere Antriebe (Kurbeltriebe etc.) eingesetzt, kann eine Rückholfeder ganz entfallen (Vgl. Anhang: 1).
Für die Anschlagsgeräuschreduzierung können Endlagendämpfer in Form von Luftpolstern, Federn etc. verwendet werden. Ferner können steuer- bzw. regelbare Magneten eingesetzt werden, die den Speicher langsam auf die Wandung setzen. Eine Steuerung bzw. Regelung der übertragenen Wärmemenge kann durch voneinander unabhängige, einstellbare Parameter erreicht werden:

a) den Druck des Speichers auf die Wandung
b) die Dauer des Kontaktes zwischen Speicher und Wandung
c) die Häufigkeit des Kontaktes (Frequenz)

6. Zusammenfassung
Bei dem von mir erfundenen PACO-Tauscher handelt es sich um eine Apparatur die aus in der Technik bekannten Komponenten (Antrieb und Speicher) besteht, jedoch – meines Wissens nach – niemals in dieser Kombination zum Zwecke der Wärmeübertragung eingesetzt wurde bzw. eingesetzt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmetauschern arbeitet der PACO-Tauscher aktiv mit und ermöglicht eine Leistungsanpassung vom durch die Größe und der Bauweise festgelegten Maximum bis nahezu Null.

Claims

Ich beantrage hiermit ein Patent für einen diskontinuierlich arbeitenden Wärmetauscher mit folgenden Merkmalen: 1 der Tauscher besitzt einen zwischen den unterschiedlichen Temperaturniveaus beweglich angeordneten Speicher, 1.1 der aus festem, gut wärmespeicherndem Material oder 1.2 gut speicherndem nachgiebigen Gewebe 1.3 beliebiger Form besteht. 2 der Speicher kann zeitweise an der Gehäusewandung anliegen, 2.1 die Wärmeübertragung auf und von dem Speicher erfolgt durch Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion. 2.2 der Speicher wirkt beim Anliegen isolierend gegen Strahlung und Konvektion in den Bewegungsraum. 3 der Tauscher verfügt über einen Antrieb, welcher 3.1 eine periodische, 3.2 zyklische 3.3 oder frei schalt- bzw. programmierbare Ablauffolge aufweist.